Определение рациональных конструкций и параметров исполнительного органа проходческих щитов большого диаметра для горно-геологических условий шахт Метростроя СПб тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат наук Ячейкин Алексей Игоревич

• Ячейкин Алексей Игоревич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Ячейкин Алексей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРО В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН

1.1 Горно-геологические условия шахт Метростроя г. Санкт-Петербурга

1.2 Анализ тоннелепроходческой техники

1.2.1 Анализ щитовых проходческих комплексов

1.2.2 Анализ специальных проходческих комплексов на базе комбайнов избирательного действия

1.3 Анализ конструкций породоразрушающего инструмента исполнительных органов тоннелепроходческих щитов

1.4 Анализ методик расчета роторного исполнительного органа тоннелепроходческого щита

1.5 Анализ применения тоннелепроходческого щита в горно-геологических условиях Санкт-Петербурга

1.6 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН С ТВЕРДЫМИ ПРОСЛОЙКАМИ РЕЗЦОВЫМ, ШАРОШЕЧНЫМ И ВИБРОАКТИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

2.1 Анализ процесса разрушения горных пород резцовым породоразрушающим инструментом

2.2 Анализ процесса разрушения горных пород шарошечным породоразрушающим инструментом

2.3 Схема расстановки породоразрушающего инструмента на роторном

исполнительном органе тоннелепроходческого щита

2.4 Определение рациональной величины подачи исполнительного органа, усилий на резцовом и шарошечном породоразрушающем инструменте, а также установление критических моментов на исполнительном органе тоннелепроходческого щита

2.5 Теоретическое обоснование прироста величины внедрения дисковых шарошек в породу при наложении на них ударных нагрузок

2.6 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН С ТВЕРДЫМИ ПРОСЛОЙКАМИ ВЫБРОАКТИВНЫМ И РЕЗЦОВЫМ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ

3.1 Постановка задач экспериментальных исследований

3.2 Стенд для исследования процесса разрушения кембрийской глины и известняка виброактивным породоразрушающим инструментом

3.3 Разработка методики проведения экспериментальных исследований

3.3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований

3.3.2 Исходные данные

3.3.3 Методика проведения эксперимента

3.4 Подготовка и последовательность проведения испытаний

3.5 Результаты стендовых исследований виброактивного разрушения кембрийской глины

3.6 Результаты стендовых исследований виброактивного разрушения известняка

3.7 Обработка результатов эксперимента

3.8 Экспериментальные исследования процесса разрушения кембрийской

глины резанием с отделением элементарных сколов

3.9 Методика проведения экспериментальных исследований процесса разрушения кембрийской глины резанием с отделением элементарных сколов

3.10 Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения кембрийской глины резанием с отделением элементарных сколов

3.11 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА ДЛЯ УСЛОВИЙ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН С ТВЕРДЫМИ ПРОСЛОЙКАМИ

4.1 Конструкция исполнительного органа тоннелепроходческого щита оснащенного виброактивными породоразрушающими инструментами

4.2 Принцип работы тоннелепроходческого комплекса с виброактивными шарошками

4.3 Методика расчета рациональной величины подачи исполнительного органа, усилий на породоразрушающем инструменте, и крутящего момента на исполнительном органе тоннелепроходческого щита

4.4 Обоснование рациональной схемы резания и рекомендуемая модификация исполнительного органа

4.5 Методика расчета производительности тоннелепроходческого щита при разрушении комбинированного породного массива

4.6 Технико-экономическое обоснование целесообразности применения нововведений

4.7 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт внедрения результатов диссертационной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Документы, подтверждающие техническую новизну разработки

ПРИЛОЖЕНИЕ В Определение технико-экономических показателей

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение рациональных конструкций и параметров исполнительного органа проходческих щитов большого диаметра для горно-геологических условий шахт Метростроя СПб»

Актуальность работы

Метрополитен Санкт-Петербурга является самым глубоким в мире, что связано с особенностями горно-геологических условий. Строительство тоннелей на малых глубинах считается неблагоприятным в виду расположения здесь обводненных суглинков с включениями гранитных валунов. Поэтому строительство большинства тоннелей осуществляется на глубинах 50-70 метров, где залегают кембрийские глины с прослойками известняков и песчаников.

Проходка тоннелей в таких горно-геологических условиях характеризуется недостаточной эффективностью разрушения твердых прослоек исполнительными органами тоннелепроходческих щитов, которая проявляется в росте крутящего момента на исполнительном органе, повышенном расходе породоразрушающего инструмента, снижении скорости подачи исполнительного органа на забой и, как следствие, в низкой скорости проходки тоннеля.

Для повышения эффективности разрушения неоднородного массива необходима разработка, изготовление и внедрение в производственные процессы Санкт-Петербургского Метростроя исполнительных органов с активным породоразрушающим инструментом.

Поэтому актуальной задачей является решение проблемы разрушения неоднородного массива методами классического резания и комбинированного метода, заключающегося в виброударном разрушении, для создания конструкции исполнительного органа, принципа его работы, уточнённой методике силового расчета, а также для обоснованной оценки технических показателей при его работе в горно-геологических условиях шахт Метростроя Санкт-Петербурга.

Степень разработанности темы исследования.

Большой вклад в изучение вопросов, связанных с созданием

виброактивных исполнительных органов и породоразрушающих инструментов, внесли ученые: В.А. Бреннер, И.П. Кавыршин, В.А. Кутлунин, В.Б. Струков, И.Г. Шмакин.

На тему создания виброактивных исполнительных органов выполнено большое количество публикаций, а также создано несколько опытных образцов на базе проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом, показавших высокую эффективность разрушения образцов породы. Однако опытные образцы имели существенные недостатки, связанные со сложностью конструкции и неприменимостью их в сложных горногеологических условиях. Поэтому создание виброактивного породоразрушающего инструмента для роторного исполнительного органа тоннелепроходческого щита требует проведения дополнительных экспериментальных и теоретических исследований.

Цель исследования:

Обоснование рациональных конструкций и режимов работы исполнительного органа тоннелепроходческого щита с режущим и виброактивным породоразрушающим инструментом, обеспечивающих повышение скорости проходки перегонных тоннелей в неоднородном массиве, включающем слои кембрийской глины и известняка.

Идея исследования:

Для повышения скорости проходки перегонных тоннелей в неоднородном горном массиве, включающем слои кембрийской глины и известняка, необходимо на роторном исполнительном органе тоннелепроходческого щита устанавливать виброактивные

породоразрушающие инструменты, позволяющие интенсифицировать процесс разрушения неоднородного массива.

Задачи исследования:

1. Провести анализ известных конструкций и недостатков работы исполнительных органов тоннелепроходческих щитов.

2. Провести теоретические исследования по выявлению закономерностей глубины внедрения шарошек от величины осевого усилия и ударной нагрузки, а также разработать методику силового расчета исполнительного органа.

3. Создать экспериментальный стенд, провести исследования по обоснованию рациональных параметров исполнительного органа тоннелепроходческого щита, в том числе оснащённого виброактивными породоразрушающими инструментами.

4. Обосновать конструкцию исполнительного органа с оптимальной схемой расстановки резцов, в том числе оснащённого выброактивным породоразрушающим инструментом для горно-геологических условий Санкт-Петербургского Метростроя и разработать уточнённую методику по его силовому расчету.

Методология и методы исследования

В работе используется комплексный метод исследований, включающий анализ теорий разрушения горных пород резанием и ударным способом, лабораторные исследования виброактивных шарошек для разрушения кембрийской глины и известняка, а также лабораторные исследования резания кембрийской глины одиночным резцом.

Научная новизна:

Установлена линейная зависимость повышения скорости проходки тоннелей проходческим щитом с установленными на его роторном исполнительном органе виброактивными шарошками в совокупности с их рациональной расстановкой совместно с резцами и уточненным режимом работы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Увеличение глубины внедрения активной шарошки в 1,2 раза в образец кембрийской глины и не менее чем в 1,3 раза в образец известняка, при наложении на нее ударной нагрузки, причем величина глубины

внедрения от осевого усилия при постоянной прикладываемой энергии удара, интерпретируется линейной зависимостью, а величина глубины внедрения от энергии удара при постоянном осевом усилии - экспоненциальной зависимостью.

2. Оснащение роторного исполнительного органа тоннелепроходческого щита виброактивными шарошками при модернизированной схеме их расстановки совместно с резцами позволяет увеличить скорость проходки тоннеля по массивам, состоящим из кембрийской глины и прослоек известняка не менее чем на 20 %, за счет роста зон напряжения на забое и интенсификации его разрушения, причем фактические показатели проходки необходимо определять на основе силовой характеристики и графика зависимости производительности от скорости подачи исполнительного органа.

Практическая значимость работы:

1. Разработано конструктивное решение виброактивного исполнительного органа тоннелепроходческого щита, защищенное патентным свидетельством;

2. Разработана конструкция стенда для исследования процесса разрушения кембрийской глины с прослойкой известняка виброактивными шарошками;

3. Разработаны рекомендации по выбору рационального режима работы тоннелепроходческого щита, при проходке тоннелей в горногеологических условиях шахт Метростроя Санкт-Петербурга;

4. Разработана уточненная методика расчета исполнительного органа тоннелепроходческого щита, оснащенного виброактивными шарошками.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований приняты к внедрению открытым акционерным обществом по строительству метрополитена в Санкт-

Петербурге Управлением Механизации - филиалом «Метрострой» (УМ -филиал ОАО «Метрострой»).

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2018» (г. Санкт-Петербург, 2018, 2019, 2020); международной конференции во Фрайбергской горной академии (Германия, г. Фрайберг, 2018); XVII, XVIII Международных научно-технических конференциях «Чтения памяти В.Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2019, 2020).

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований. Произведен анализ теорий разрушения горных пород методами классического резания и ударного разрушения. Разработаны методики экспериментальных исследований. Спроектированы и изготовлены экспериментальные стенды, проведены экспериментальные исследования процессов разрушения кембрийской глины и известняка дисковыми шарошками с накладываемой на них ударной нагрузкой. Предложена конструкция роторного исполнительного органа тоннелепроходческого щита, оснащенного виброактивными шарошками совместно с усовершенствованной схемой расстановки породоразрушающего инструмента, а также методика его силового расчета.

Результаты диссертации в достаточной степени освещены в 13 печатных работах, в том числе в 2 статьях - в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (далее - Перечень ВАК), в 1 статье - в издании из Перечня ВАК и входящей в международную базу данных и систему цитирования Scopus, в 2 статьях - в изданиях, входящих в международную базу данных и в систему цитирования Scopus.

Получен 1 патент.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом 135 страниц печатного текста, содержит 21 таблицу и 60 рисунков, список литературы из 1 16 наименований, 3 приложения.

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРО В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН

1.1 Горно-геологические условия шахт Метростроя г. Санкт-Петербурга

В последнее время все больше внимания уделяется строительству городского подземного транспорта - метрополитену. На сегодняшний день невозможно представить ни один крупнейший мегаполис без такого вида транспорта. Объясняется это большими преимуществами метрополитена перед другими видами городского наземного транспорта. К основным преимуществам можно отнести снижение занимаемой надземной территории, быстрота транспортного сообщения - возможность быстро добраться до любой точки города, снижение влияния надземной застройки на исторический и архитектурный облик города, что особенно актуально для Санкт-Петербурга.

Территория города Санкт-Петербурга расположена на стыке Балтийского щита, сложенного гранитными породами и Русской платформы, основанной древними осадочными породами. На территории города глубина залегания кристаллических пород Балтийского щита составляет порядка 200 метров, и выходит на поверхность уже на севере Ленинградской области. Осадочные породы Русской платформы являются основными для строительства метрополитена. При этом Русская платформа разделяется на несколько этажей:

- нижний этаж, представленный породами архей-протерозойского периода - гранитами, гнейсами, и другими магматическими породами с глубиной залегания до 250 метров.

- верхний этаж, который в свою очередь также делится на две толщи отложений - верхнюю и нижнюю. Верхняя толща или четвертичная представлена четвертичными отложениями. Основными породами здесь

являются моренные отложения, озерно-ледниковые суглинки, песчано-глинистые грунты ледникового происхождения. Нижний слой представлен коренными породами, прошедшими несколько стадий литификации. В южной части города структура разделяется на два слоя: - верхний с кембрийскими глинами (С^), и нижний с ломоносовскими песчаниками и прослойками глин (У2-С11т). В северной и центральной частях Санкт-Петербурга, под толщей четвертичных отложений, и в южной части под кембрийскими отложениями, располагаются верхнекотлинские глины с прослойками песчаника (У2к2) (рисунок 1.1) [32]. Общая мощность отложений составляет от 12 до 75 метров и более в зависимости от наличия древних подземных рек, заполненных песчано-глинистыми отложениями.

Рисунок 1.1 - Схематический геолого-литологический разрез Санкт-Петербурга с элементами тектоники (по Е.К. Мельникову) Большая часть тоннелей, выработок и станций метрополитена Санкт-Петербурга пройдены в толще кембрийских глин [3]. Основные физические свойства пород представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные показатели физических свойств пород [56]

Породы Число пластичности, % Плотность породы, г/см3 Коэффициент пористости Естественная влажность, %

естественного сложения скелета

Суглинки и глины 9 2,26 2,05 0,33 10,0

Выработки средней и малой глубины заложения, такие как наклонные эскалаторные тоннели, перегонные тоннели, станции, пройдены в неустойчивых, обладающих склонностью к образованию пластических деформаций четвертичных водонасыщенных песчано-глинистых отложениях ледникового, озерно-ледникового и болотного происхождения (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Забой: а - кембрийская глина с твердыми прослойками; б -четвертичные песчано-глинистые с включением гранитных валунов

отложения ледникового типа

Особую сложность при строительстве составляют болотные отложения, в виду того, что большая их часть погребена под слоем техногенных образований (рисунок 1.3). Такие подземные отложения болотного типа при вскрытии подземными выработками становятся плывунами [31].

Рисунок 1.3 - Схематическая карта четвертичных отложений Санкт-

Петербурга [30]

Наряду с отложениями болотного происхождения сложность при строительстве подземных выработок привносят отложения ледникового происхождения - морены, характеризующиеся различным гранулометрическим составом и состоящие из суглинков, гранитных валунов, линз крупных или пылеватых песков содержащих воду под давлением до 2 Бар.

1.2 Анализ тоннелепроходческой техники 1.2.1 Анализ щитовых проходческих комплексов

Первый проходческий щит был изобретен в XIX в. английским инженером Марком Изамбардом Брюнелем. Однажды он увидел, как моллюск Teredo navalis проделывал ходы в корабельной доске. Увиденное и вдохновило изобретателя. Первый щит представлял из себя металлическую конструкцию прямоугольной формы, задача которой была поддержание породы, а отработка породы и крепление выработанного пространства велась вручную. С того времени щитовая техника сильно изменилась. Современная щитовая проходческая техника обладает высокой степенью безопасности ведения работ, высокой скоростью и точностью проходки тоннелей.

За последний промежуток времени разработано значительное число новейших высокопроизводительных тоннелепроходческих

механизированных комплексов (ТПМК), в основном немецких -Herrenknecht, канадских - Lovat, японских - Mitsubishi и французских -CSM Bessac [21, 30, 44]. Помимо повышения автоматизации и механизации работ на тоннелепроходческом комплексе, большое развитие получили исполнительные органы, а также методы поддержки лба забоя [89].

Современный щитовой тоннелепроходческий комплекс представляет собой комплекс механизмов ведущих разработку породы, транспортировку разрушенной породы, крепление выработки и нагнетание раствора в заобделочное пространство [97]. К основными частями проходческого щита можно отнести исполнительный орган, оболочку щита, проходческие домкраты, систему транспортирования отработанного материала, а также защитовые технологические тележки с гидравлическим и электрическим оборудованием.

Применение щитовых проходческих комплексов возможно в широком диапазоне горно-геологических условий, которые можно разделить на три

группы:

• для проходки тоннелей в водонасыщенных, неустойчивых грунтах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова

Г < 1;

• для проходки тоннелей в устойчивых песчано-глинистых и других грунтах и породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова / < 0,5... 6;

• для проходки тоннелей в скальных породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова / > 6 [19].

В настоящее время благодаря широкой области применения, безопасности ведения работ [76], легкости регулирования подачи и скорости вращения исполнительного органа, большой производительности наиболее распространены проходческие щиты с роторным исполнительным органом. К недостаткам такого вида исполнительного органа можно отнести сложность исполнительного органа, большую массу исполнительного органа, трудоемкость замены породоразрушающего инструмента, невозможность раздельной обработки забоя.

Щитовые проходческие комплексы с роторным исполнительным органом производятся от 400 до 20000 мм. Область применения таких щитов разнообразна, начиная от/< 0,5 до / > 6 и зависит от породоразрушающего инструмента установленного на роторе [19].

Основными преимуществами щитового проходческого комплекса с роторным исполнительным органом являются:

• Сплошная по всей площади забоя разработка грунта;

• Непрерывность процесса разработки грунта;

• Возможность использования роторного исполнительного органа, как средства крепления лба забоя;

• Передача на всю поверхность разрушаемого забойного массива

высоких усилий;

• Возможность оснащения роторного исполнительного органа разнообразным породоразрушающим инструментом;

• Простота и надежность конструкции [33].

Перечисленные выше преимущества позволили расширить область применения, повысили производительность, а также увеличили надежность щитовых проходческих комплексов с роторным исполнительным органом [20, 21, 34].

На рисунке 1.4 представлены основные узлы проходческого щита: 1 -исполнительный орган (ротор); 2 - оболочка щита; 3 - проходческие домкраты; 4 - породный конвейер; 5 - эректор; 6 - главный привод; 7 -тележки с технологическим оборудованием.

Рисунок 1.4 - Основные узлы проходческого щита с роторным

исполнительным органом Роторный исполнительный орган предназначен для разрушения породного массива. Для этого он оснащен породоразрушающими инструментами, закрепленными на его рабочей поверхности [19, 35 - 37]. Второстепенной функцией ротора является поддержание лба забоя от

просадок дневной поверхности. В настоящее время существуют 3 типа роторных исполнительных органов:

• роторный исполнительный орган, оснащенный резцовым породоразрушающим инструментом и предназначенный для разрушения мягких пород, таких как кембрийская глина или пески (рисунок 1.5 а). Представителем такого типа роторных исполнительных органов является тоннелепроходческий щит КТ1-5,6 прекрасно зарекомендовавший себя при проходке тоннелей исключительно по сухой кембрийской глине. При этом, во время проходки тоннелей по неоднородным забойным массивам включающим твердые прослойки происходило существенное изнашивание породоразрушающих инструментов, а также снижение скорости проходки.

• роторный исполнительный орган, оснащенный шарошечным породоразрушающим инструментом, предназначенный для разрушения скальных пород, таких как граниты (рисунок 1.5 б) [49]. Данный тип роторных исполнительных органов не применим для проходки тоннелей в горно-геологических условиях шахт Метростроя Санкт-Петербурга.

• роторный исполнительный орган гибридного типа, оснащенный шарошечным и резцовым породоразрушающим инструментом, предназначенный для разрушения неоднородных забойных массивов, обладающих разными физико-механическими свойствами (рисунок 1.5 в). Применим для проходки тоннелей в горно-геологических условиях шахт Метростроя Санкт-Петербурга, однако имеет недостаточную эффективность разрушения твердых прослоек и включений, что было выявлено во время работы тоннелепроходческого щита Herrenknecht S-782.

Рисунок 1.5 - Типы роторных исполнительных органов: а - ротор для мягких пород; б - ротор для скальных пород; в - гибридный ротор

1.2.2 Анализ специальных проходческих комплексов на базе комбайнов

избирательного действия

При проходке тоннелей по мягким несвязным породам с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f < 1,5 применяются исполнительные органы экскаваторного типа. Так на рукояти устанавливается ковш, непосредственно которым ведется разработка породы (рисунок 1.6 б). Щиты с экскаваторным исполнительным органом изнотавливаются диаметром от 1220 до 8000 мм и более. Вместимость ковша изменяется от 0,05 до 1,14 м3 [19]. Как правило, для исключения обвала забоя такие комплексы имеют выдвигаемые шандоры [89]. При больших диаметрах комплекса он разделяется на ярусы, на каждом из которых имеется свой исполнительный орган экскаваторного типа.

При проходке тоннелей по крепким породам с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f < 6 в качестве исполнительного органа применяется резцовая коронка фрезерного типа, установленная на подвижной стреле (рисунок 1.6 а) [88]. Проходческие комплексы такого типа в настоящее время производятся с диаметром от 1,5 м до 10 м. Основными производителями проходческих комплексов с исполнительным органом избирательного действия являются машиностроительные компании Mitsubishi, Herrenknecht и Robbins.

Главным преимуществом тоннелепроходческого комплекса с исполнительным органом избирательного действия является непосредственный обзор машинистом забоя, что упрощает процесс разработки породы и позволяет машинисту моментально реагировать на изменения горно-геологических условий [22, 82]. К преимуществам также можно отнести:

• удобство обнаружения и удаления гранитных валунов;

• удобство ремонта исполнительного органа, а также замены породоразрушающего инструмента;

• простота конструкции.

Недостатками проходческих комплексов такого типа являются:

• сложность в управлении при разработке породы, особенно в переферийных частях забоя, что требует большого навыка машиниста;

• низкая эксплуатационная производительность в последовательного способа отработки забоя.

виду

Рисунок 1.6 - Тоннелепроходческие комплексы с исполнительными органами избирательного действия: а - с резцовой коронкой фрезерного

типа; б - с ковшом Для упрощения работы обслуживающего персонала современные тоннелепроходческие комплексы с исполнительными органами

избирательного действия оснащаются системой автоматической отработки забоя.

На рисунке 1.7 представлен тоннелепроходческий комплекс с исполнительным органом избирательного действия компании НеггепкпесЫ:, основными узлами которого являются: 1 - резцовая коронка фрезерного типа; 2 - стрела; 3 - привод вращения коронки; 4 - оболочка тоннелепроходческого комплекса; 5 - породный конвейер; 6 - транспортные емкости (вагонетки).

Крепление выработки в случае работы такого комплекса осуществляется непосредственно из стартового котлована, путем продавливания кольца обделки.

Рисунок 1.7 - Тоннелепроходческий комплекс с исполнительным органом

избирательного действия Начиная с 1983 года на кафедре горных машин и комплексов Тульского государственного университета совместно с институтом ЦНИИПодземмаш ведутся работы по созданию виброактивного исполнительного органа на базе проходческого комбайна со стреловидным исполнительным органом избирательного действия. Целью исследований являлось обеспечение возможности работы комбайна по забойному массиву с пределом прочности

на одноосное сжатие до 80 МПа путем изменения механики разрушения, суть которой заключается в соединении классического механического резания горных пород с дополнительными вибрационными и ударными воздействиями на разрушаемый массив [18].

Результатом выполненных работ стали теоретические и экспериментальные исследования, позволившие обосновать целесообразность и перспективность комбинированного метода разрушения забойного массива обладающего повышенной крепостью, а также образец виброактивного исполнительного органа (рисунок 1.8) к серийному проходческому комбайну КП-25. Однако серийное производство не было начато, в виду недостатков конструкции, связанных со сложностью кинематики, а также трудностями гашения вибрации, передающейся на сам проходческий комбайн.

3

Рисунок 1.8 - Виброактивный исполнительный орган: 1 - коронка; 2 -резцы; 3 - зубчатое колесо; 4 - гидродвигатель; 5 - блок-шестерня; 6 -сателлиты; 7 - неуравновешенные массы; 8 - приводной вал; 9 - вал коронки;

10 - гаситель колебаний Несмотря на повышенную эффективность разрушения твердых включений, применение тоннелепроходческих комплексов и проходческих комбайнов с исполнительным органом избирательного действия возможно,

как правило, для проходки тоннелей в однородных устойчивых с полным отсутствием грунтовых вод породах, что делает их неприменимыми для проходки тоннелей в горно-геологических условиях шахт Метростроя Санкт-Петербурга. Однако идея наложения вибрационных и ударных нагрузок на породоразрушающий инструмент или исполнительный орган актуальна. При этом наложение ударной нагрузки на дисковые шарошки, установленные на роторном исполнительном органе тоннелепроходческого щита, могут позволить расширить его область применения и повысить скорость проходки тоннеля [99-103].

1.3 Анализ конструкций породоразрушающего инструмента исполнительных органов тоннелепроходческих щитов

Породоразрушающий инструмент, установленный на исполнительном органе тоннелепроходческого щита является главной составной его частью, который во многом определяет скорость проходки тоннеля [50].

Повышение производительности и надежности тоннелепроходческих комплексов невозможно без создания и использования эффективных породоразрушающих инструментов, определяющих характер взаимодействия их исполнительного органа с забоем. Эффективность разрушения породы исполнительным органом зависит от рационального подбора породоразрушающего инструмента в зависимости от горно-геологических условий.

В настоящее время конструкция породоразрушающего инструмента тоннелепроходческих щитов весьма разнообразна, но должна соответствовать основополагающим критериям: надежность, технологичность, малая энергозатратность на разрушение пород, малая металлоемкость [50].

Породоразрушающий инструмент тоннелепроходческих щитов подразделяется на 2 группы [53]:

• Для разрушения мягких и пород средней крепости с крепостью по шкале проф. М.М. Протодьяконова / < 6;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ячейкин Алексей Игоревич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверин, Е.А. Зарубежный опыт использования клиновидных дисковых шарошек при оснащении тоннелепроходческих щитов // Горные науки и технологии. 2018. - №4. - С. 41-50.

2. Алабужев, П.М. Применение теории подобия и размерностей к исследованию (моделированию) машин ударного действия // Известия Томского политехнического института имени С.М. Кирова. 1952. - Т.73. - С. 107-152.

3. Александрова, О.Ю. Проблемы освоения подземного пространства Санкт-Петербурга и геологические процессы // Записки Горного Института. 2008. - Т. 176. - С. 209.

4. Алимов, О.Д. Бурильные машины / О.Д. Алимов, Л.Т. Дворников - М., Машиностроение, 1977. - 295 с.

5. Бажин, Н.П. Результаты исследования физико-механических свойств кембрийских глин. - в кн. Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ / Н.П. Бажин, В.А. Петров, Ю.М. Карташов, А.И. Баженов - ВНИМИ, Л.: Недра, 1964. - С. 49-63.

6. Бакланов, И.В. Механика горных пород / И.В. Бакланов, Б.А. Картозия

- М.: «Недра», 1980. - 287 с.

7. Барон, Л.И. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Том I. Научно-методические основы. Разрушение резцовым инструментом / Л.И. Барон, Л.Б. Глатман, Е.К. Губенков - М.: «Наука», 1968. - 216 с.

8. Барон, Л.И. Зависимость усилий перекатывания штыревых шарошек по забою от свойств горных пород / Л.И. Барон, С.Л. Загорский, Б.М. Логунцов

- В сб. «Взрывное дело» изд-во «Недра», М. - 1966. №58/15.

9. Барон, Л.И. Исследование процесса разрушения горных пород свободно вращающимися клиновыми роликами / Л.И. Барон, С.Л. Загорский, Б.М. Логунцов - М., изд. ИГД им. А.А. Скочинского, 1962. - 35 с.

10. Барон, Л.И. Разрушение горных пород проходческими комбайнами:

Разрушение шарошками / Л.И. Барон, Л.Б. Глатман, С.Л. Загорский // Академия Наук СССР Министерство угольной промышленности СССР Институт горного дела им. А. А. Скочинского. - Москва: Наука , 1969.

- 150 с.

11. Барон, Л.И. Экспериментальное определение времени контакта штырей шарошки с разрушенной породой / Л.И. Барон, Л.Б. Глатман, Ю.Г. Коняшин

- Нефт. хоз. 1966. - №5.

12. Безгубов, А.П. Установление рациональных параметров процесса разрушения горных пород дисковыми шарошками в уступном забое: Автореф дисс. канд. тех. наук. М., - 1982. - 16 с.

13. Безродный, К.П. Практика внедрения безосадочных технологий при строительстве Санкт-Петербургского метрополитена / К.П. Безродный, А.И. Салан, В.А. Маслак, В.А. Марков, М.О. Лебедев // Записки Горного Института. 2012. -Т. 199. - С. 190.

14. Берон, А.И. Резание угля / А.И. Берон, А.С. Казанский, Б.М. Лейбов, Е.З. Позин - М.: Госгортехиздат, 1962. - 439 с.

15. Бойко, Е.Н. Особенности стружкообразования дисковых шарошек / Е.Н. Бойко, О.В. Федоров, В.А. Мельников ДНТУ. 2005.

16. Бойко, Н.Г. Повышение нагрузки на лаву и улучшение сортового состава угля без дополнительных затрат. Монография. / Н.Г. Бойко, Е.Н. Бойко - Донецк, РВД ДонНТУ, 2003. - 80 с.

17. Борисов, А.Ю. Влияние формы корпуса рабочего органа горного комбайна на нагруженность дискового инструмента / А.Ю. Борисов,

A.А. Хорешок, Л.Е. Маметьев, А.М. Цехин // Горное оборудование и электромеханика. 2016. - № 6. - С. 30-37.

18. Бреннер, В.А. Виброактивное разрушение горных пород проходческими комбайнами / В.А. Бреннер, И.П. Кавыршин, В.А. Кутлунин,

B.Б. Струков, И.Г. Шмакин, Нин Чжун Лян, Т.В. Ковалёва, Ю.В. Антипов -Тула: Тульский полиграфист. 2000. - 203 с.

19. Бреннер В.А. Щитовые проходческие комплексы / В.А. Бреннер,

A.Б. Жабин, М.М. Щеголевский // Москва: Горная книга. 2009. - 360 с.

20. Будников, В.Б. Математическое описание динамики щита тоннелепроходческого комплекса / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. - С. 194-198.

21. Валиев А.Г. Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях / А.Г. Валиев, С.Н. Власов, В.П. Самойлов - М.: ТА Инжиниринг, 2003. -74 с.

22. Васильев, В.И. О создании проходческих комплексов для проведения выработок по крепким породам // Уголь. 1983. - №11. - С. 29-32.

23. Вербило, П.Э. Оценка рисков при разработке проекта тампонирования затопленных тоннелей / П.Э. Вербило, Е.И. Кабанов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. - № S5-2. - С. 25-33.

24. Габов, В.В. Схема расстановки резцов на шнековых исполнительных органах с подрезными, парными и групповыми срезами / В.В. Габов,

B.С. Нгуен, Д.А. Задков, И.Д. Клюшник, Д.Ч. До // Горный информационно аналитический бюллетень, 2020, - № 4 , - С 3 - 14.

25. Газета OAO «Метростроитель». 2014, - № 7 (3698)

26. Гамильтон, У.Г. Совершенствование шарошечного инструмента тоннелепроходческих машин бурового действия / У.Г. Гамильтон, Дж. Долингер // Глюкауф. 1980. - №17. - С. 13-19.

27. Герике, Б.Л. Некоторые особенности процесса разрушения крепких горных пород дисковым скалывающим инструментом. Кемерово, 1988. Деп. в ВИНИТИ 22.01.88, - №609-В88, - 12 с.

28. Гетопанов, В.Н. Некоторые закономерности процесса разрушения горных пород резцовым инструментом выемочных горных машин. Научные труды, сб. №17. - М.: МГГИ, 1956. - С. 21-27.

29. Гигиняк, И. Е. Сооружение наклонного хода станции метрополитена с помощью ТПМК фирмы "Херренкнехт" в Санкт-Петербурге // Метро и Тоннели. 2009. - №5. - С. 4-5.

30. Гульелметти, В. Механизированная проходка тоннелей в городских условиях. Методология проектирования и управления строительством / В. Гульелметти, П. Грассо, А. Махтаба, Ш. Сю / Оеоёа1аБ.р.Л. Турин, Италия - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 602 с.

31. Дашко, Р.Э. Влияние гидрогеологических условий на безопасность освоения подземного пространства при строительстве транспортных тоннелей / Р. Э. Дашко, П. В. Котюков, А. В. Шидловская. Записки Горного Института. 2012. - Т. 199. - С. 9.

32. Дашко, Р.Э. Инженерно-геологическое обеспечение эксплуатационной надежности подземных транспортных сооружений в Санкт-Петербурге / Р.Э. Дашко, П. В. Котюков // Записки Горного Института. 2011. - Т. 190. - С. 71.

33. Дворников, Л.Т. Надежность буровых агрегатов / Л.Т. Дворников, В.А. Туров - М.: Недра, 1990. - 166 с.

34. Докукин, А.В. Выбор параметров выемочных машин. Научно-методические основы / А.В. Докукин, А.Г. Фролов, Е.З. Позин - М.: Изд-во «Наука», 1976. - 144 с.

35. Жабин, А.Б. Основы проектирования исполнительных органов тоннелепроходческих машин / А.Б. Жабин, А.В. Поляков, Е.А. Аверин, Ю.Н. Линник // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. - №6. - С. 156-164.

36. Жабин, А.Б. Основы проектирования исполнительных органов тоннелепроходческих машин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. - № 9. - С. 299-304.

37. Жабин, А.Б. Расчет роторного исполнительного органа тоннелепроходческого механизированного комплекса КТПМ-6.0 /

А.Б. Жабин, Ан.В. Поляков, Ал.В. Поляков, А.Д. Фомичев, Ю.В. // Горное оборудование и электромеханика. 2012. - № 2. - С. 16-23.

38. Жабин, А.Б. Сопоставление отечественных и зарубежных методов расчета усилий на лобовых дисковых шарошках при разрушении горных пород / А.Б. Жабин, А.В. Поляков, Е.А. Аверин // Горный журнал. 2018. -№12. - С. 65-68.

39. Жабин, А.Б. Состояние научных исследований в области разрушения горных пород резцовым инструментом на рубеже веков /А.Б. Жабин, А.В. Поляков, Е.А. Аверин, В.И. Сарычев // Известия тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. - №1. - С. 230-247.

40. Зайков, В.И. «Проходческие щиты» М. МГГУ. 1994 г.

41. Задков, Д.А. Особенности формирования элементарных сколов в процессе резания углей и изотропных материалов эталонным резцом горных машин / Д.А. Задков, В.В. Габов, Кхак Линь Нгуен // Записки Горного Института. 2019. - Том 236. - С. 153.

42. Иванов, В.Н. Методика определения перспективных показателей бурового оборудования для подземных работ с пневматическими и гидравлическими перфораторами. Сб. науч. тр. «Разработка и совершенствование техники и технологии для предприятий горнорудной промышленности». Изд. ин-та Гипроникель, Л., 1991. - С. 19-25.

43. Иванов, К.И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987. - 272 с.

44. Информационно - технический проспект ф. Ловат (Канада)

45. Исаев, А.И. Обоснование параметров сдвоенного ударного исполнительного органа проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок в кембрийских глинах: дис. ... канд. тех. наук: 05.05.06. Санкт-Петербург. - 140 с.

46. Карасев, Е.А. Особенности работы сборных обделок транспортных тоннелей. Записки Горного Института. 2010. - Т. 185. - С. 180.

47. Каркашадзе Г.Г. Исследование процесса разрушения пород дисковыми шарошками / Г.Г. Каркашадзе, А.В. Бабич // ГИАБ. 2017. - № 1. - С. 109-116.

48. Карташов, Ю.М. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев, Г.В. Михеев, А.Б. Фадеев - М.: Недра, 1979. -269 с.

49. Карцев, А.К. Проходческий комбайн роторного типа для крепких пород / А.К. Карцев, К.Ф. Деркач // Уголь Украины. - 1978. - Л 2. - С. 27-29.

50. Клорикьян, В.Х. Горнопроходческие щиты и комплексы // В.Х. Клорикьян, В.А. Ходош - Москва : Недра, 1977. - 325 с.

51. Коломийцов, М.Д. Эксплуатация горных машин и автоматизированных комплексов. - Л.: ЛГИ, 1988. - 96 с.

52. Коршунов, В.А. Новый способ определения предела прочности при растяжении горных пород / В.А. Коршунов, Ю.М. Карташов // Записки горного института. - 2011. - Т. 190. - С. 202-206.

53. Крапивин, Н.Г. Горные инструменты. - 3-е изд., перераб. и доп / Н.Г. Крапивин, Р.Я. Раков, А.И. Сысоев - М.: Недра, 1990. - 256 с.

54. Кутеко, В.С. Исследование работы дисковых шарошек // Торн машины и автоматика. - 1971. - №6. - С. 14-16.

55. Лавренко, С.А. Analysis of Cambrian clay cutting during Saint-Petersburg subway construction (Исследование процесса разрушения кембрийских глин резанием при проходке выработок метро Санкт-Петербурга) / С.А. Лавренко, И.А. Королев Горный журнал. 2018. - №2. - pp. 53-58.

56. Лавренко, С.А. Обоснование параметров исполнительных органов комплекса для проведения вспомогательных выработок в условиях кембрийских глин: дис. ... канд. тех. наук: 05.05.06. Санкт-Петербург. -182 с.

57. Леванковский, И.А. Научные основы создания высокоэффективных инструментов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 1999. 38 с.

58. Леванковский, И.А. Разработка методов расчета нагруженности и износостойкости лобовых дисковых шарошек проходческих комбайнов: Автореферат дис. канд. техн. наук. - М. 1983. - 15 с.

59. Левин, А.М. Метод расчета нагрузок на исполнительных органах буровых проходческих комбайнов, оснащенных дисковыми шарошками / А.М. Левин, Б.А. Дейниченко, Н.А. Святый, Л.М. Шептева // Физ. тех. пробл. полез. ископаемых. - 1984. - №4. - С. 53-59.

60. Луганцев, Б.Б. Методика расчета параметров струговых установок: монография / Б.Б. Луганцев, Б.А. Ошеров, А.Н. Аверкин - ШахтНИУИ. -Новочеркасск: Лик. 2010. - 135 с.

61. Луганцев, Б.Б. Расчет и конструирование струговых установок / Б.Б. Луганцев, Б.А. Ошеров, Л.И. Файнбурд, А.Н. Аверкин // Москва : Горная книга. 2011. - 291 с.

62. Лукин, Д.Г. Совершенствование работы исполнительного органа проходческого щита КТ1-5,6М / Д.Г. Лукин, Д.А. Юнгмейстер, А.И. Ячейкин, А.И. Исаев // Горный журнал. 2018. - С. 73-77.

63. Малевич, Н.А. Комплексы оборудования для проходки и бурения вертикальных стволов: Учебник для вузов. - М.: «Недра», 1965. - 287 с.

64. Метод расчета усилий, действующих на поворотные резцы при разрушении горных пород. М.: НПЦ "ПИГМА-ЦЕНТР" АГН РФ, 1998. 5 с.

65. Одуло, Б.Г. Разрушение горных пород шарошками // Горные машины и автоматика / Б.Г. Одуло, В.С. Кутеко 1970. - С. 46-49.

66. ОСТ 12.44.258-84. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчёт сил резания и подачи на исполнительных органах. Методика. - М.: Министерство угольного машиностроения, 1986. - 108 с.

67. Панкратов, М. Механизированные тоннелепроходческие комплексы. Мосметрострой. 2012. - 217 с.

68. Патент № 2701764 Российская Федерация, МПК Е2Ш 9/093, Е21С 27/24. Виброактивный исполнительный орган: № 2019105393; заявл.

26.02.2019, опубл. 01.10.2019 / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Ячейкин, Р.Ю. Уразбахтин; заявитель Санкт-Петербургский горный университет. - 9 с.

69. Пивнев, В.А. Обоснование параметров и выбор материалов деталей для ударной системы «поршень - боек - инструмент» перфоратора / В.А. Пивнев, Д.А. Юнгмейстер, М.Ю. Непран, С.А. Лавренко, Г.В. Соколова // Труды 10-ой Международной научно-практической конференциии «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», Воркута: Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». 2012. - т.2. - С. 395-399.

70. Подэрни, Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ / Р. Ю. Подэрни. - М. : Изд-во Моск. гос. горн. ун-та (МГГУ). 1998. - 422 с.

71. Позин, Е.З. Разрушение углей выемочными машинами / Е.З. Позин, В.З. Меламед, В.В. Тон - М.: Недра, 1984. - 288 с.

72. Поляков, А.В. Выбор и расчет рабочего органа тоннельной щитовой машины с активным пригрузом забоя / А.В. Поляков, А.Б. Жабин, П.Н. Чеботарев, В.Г. Хачатурян // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2019. - С. 139-149.

73. Прейс, Е.В. Моделирование образования объема крупных элементов при разрушении угля дисковой шарошкой / Е.В. Прейс, В.В. Кузнецов // Горное оборудование и электромеханика. 2015. - № 7. - С. 37-41.

74. Протасов, Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. М.: Недра, 1985. - 242 с.

75. Протодьяконов, М.М. Методика рационального планирования экспериментов / М.М. Протодьяконов, Р.И. Тедер - М.: Наука, 1970. - 76 с.

76. Протосеня, А.Г. Механика подземных сооружений. Пространственные модели и мониторинг / А.Г. Протосеня, Ю.Н. Огородников, П.А. Деменков, М.А. Карасев, М.О. Лебедев, Д.А. Потемкин, Е.Г. Козин - СПб: СПГГУ-МАНЭБ, 2011. - 355 с.

77. Проходческая техника, открывающая новую эру для подземных

транспортных систем: Проспект "Херренкнехт тоннельсервис", 2007, - 20с.

78. Проходческие щиты для сооружения тоннелей. Методические указания к курсовому проектированию. Москва, 1987 г.

79. РД 12.25.137-89 Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом

80. Ржевский, В.В. Основы физики горных пород: Учебник для вузов /

B.В. Ржевский, Г.Я. Новик - М.: Недра, 1984. - 359 с.

81. Родин, Р.А. О механизме роста трещины при разрушении упруго-хрупкого тела // Горный журнал. Изв. ВУЗов. -1991. - №10. - С. 5-12.

82. Семенченко, А.К. Перспективы создания проходческих комбайнов нового технического уровня / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко // журнал «Горная техника». 2005. - №7. -

C. 20-23.

83. Смирнов, В.В. Исследование механизма разрушения горных пород при ударе // ФТПРПИ, 1968. - №4. - С. 39-46.

84. Солод, В.И. Горные машины и автоматизированные комплексы / В.И. Солод, В.И. Зайков, К.М. Первов - М.: Недра, 1981. - 503 с.

85. Танайно, А.С. Сопоставление классификаций горных пород по прочности // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2003. - № 6. - С. 13-17.

86. Уразбахтин, Р.Ю. Обоснование и выбор схемных решений комплекса для проведения выработок малого сечения в условиях угольных шахт: дис. ... канд. тех. наук: 05.05.06. Санкт-Петербург. - 135 с.

87. Ушаков, Л.С. Гидравлические машины ударного действия / Л.С. Ушаков, Ю.Е. Котылев, В.А. Кравченко - М: Машиностроение, 2000. -416 с.

88. Федунец, Б.И. Технология проведения горных выработок в крепких породах комбайнами. Учебн. пособие. - М., МГИ, 1988, 106 с.

89. Харченко, В.В Процессы очистных работ на пластах угольных шахт:

учебник / В.В. Харченко, Н.П. Овчинников, В.И. Сулаев, А.А. Гайдай,

B.В Русских // Учеб. пособие. - Днепропетровск.: Изд-во НГУ. 2009. - 242 с.

90. Херренкнехт, М. Новейшие достижения в развитии механизированных щитов. Международная науч - практ. конференция «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века - опыт и перспективы» / М. Херренкнехт, К. Бапплер - М.: 2002 г.

91. Ходош, В.А. Мировой технический уровень щитового способа сооружения тоннелей / В.А. Ходош, В.Н. Власов // Метрострой, 1990. - №3. -

C. 31-33.

92. Хорешок, А.А. Основные этапы разработки и моделирования параметров дискового инструмента проходческих и очистных горных машин / А.А. Хорешок, Л.Е. Маметьев, А.М. Цехин, В.И. Нестеров, А.Ю. Борисов // Горное оборудование и электромеханика. 2015. - № 7. - С. 9-16.

93. Хорешок, А.А. Прогнозирование максимального объема разрушенного материала дисковым инструментом / А.А. Хорешок, В.В. Кузнецов, А.Ю. Борисов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. - № 9. - С. 299-304.

94. Цехин, А.М. Оборудование и инструмент щитовых проходческих комплексов / А.М. Цехин, А.Ю. Борисов, Л.Е. Маметьев // Кузбаский государственный технический университет (ГУ КузГТУ). 2011. 34 с.

95. Черепанов, Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения - М.: Недра. 1987. - 308 с.

96. Черепанов, Г.П. Механика хрупкого разрушения - М.: Наука, 1974. -640 с.

97. Шишлянников, Д.И. Повышение эффективности отделения калийной руды от массива резцами добычных комбайнов: дис. ... канд. тех. наук: 05.05.06. Санкт-Петербург. - 159 с.

98. Эткин, С.М. Сооружение подземных выработок проходческими щитами / С.М. Эткин, В.М. Симоменко - М.: Недра, 1980. - 304 с.

99. Юнгмейстер, Д.А. Модернизация исполнительного органа тоннелепроходческого механизированного комплекса Herrenknecht S-782 / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Ячейкин // Горное оборудование и электромеханика. 2017. - №3. - С. 3-7.

100. Юнгмейстер, Д.А. Экспериментальные исследования погружного пневмоударника бурового станка / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Исаев,

A.И. Ячейкин, П.Д. Соболева // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2021. - № 3. - С. 28-36.

101. Юнгмейстер, Д.А. Совершенствование исполнительного органа тоннелепроходческого комплекса s-782 для условий метро Санкт-Петербурга / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Ячейкин // Мир транспорта и технологических машин. 2017. - №3. - С. 66-73.

102. Юнгмейстер, Д.А. Устройство для интенсификации разрушения твердых прослоек при проходке выработок в массивах шахт метростроя Санкт-Петербурга / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Ячейкин, Р.И. Королев, К.Е. Соболев // Сб. трудов XVII международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека». Екатеринбург. 2019. -С. 80-81.

103. Юнгмейстер, Д.А. Виброактивный породоразрушающий инструмент для интенсификации разрушения сложносруктурированного забойного массива / Д.А. Юнгмейстер, М.Ю. Насонов, А.И. Ячейкин // Сб. трудов XVIII международной научно-технической конференции «Чтения памяти

B. Р. Кубачека». Екатеринбург. 2020. - С. 123-125.

104. Юнгмейстер, Д.А. Использование исследовательских стендов для аспирантов и студентов / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Ячейкин // Современные образовательные технологии в подготовке специалистов для минерально -сырьевого комплекса. Сборник научных трудов III Всероссийской научной конференции. 2020. - С. 526-529.

105. Юнгмейстер, Д.А. Совершенствование роторных исполнительных

органов тоннелепроходческих щитов для интенсификации разрушения сложносруктурированного забойного массива / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Ячейкин // Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2020. Сборник научных трудов. - СПб: Санкт-Петербургский горный университет. 2020. - С.415-418.

106. Юнгмейстер, Д.А. Разработка конструкции комплекса для проходки коротких выработок в кембрийских глинах / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Исаев, П.Д. Наумова // Горное оборудование и электромеханика. 2018. № 2 (136). -С. 35-40.

107. Ячейкин, А.И. Разработка специального породоразрушающего инструмента для тоннелепроходческого комплекса / А.И. Ячейкин // Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2018. Сборник научных трудов. - СПб: Санкт-Петербургский горный университет. 2018. - С. 138.

108. Ячейкин, А.И. Совершенствование исполнительного органа тоннелепроходческого комплекса работающего в условиях шахт «Метростроя Санкт-Петербурга» / А.И. Ячейкин // Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2019. Сборник научных трудов. - СПб: Санкт-Петербургский горный университет. 2019. - С. 338-340.

109. Iacheikin, A.I. Vervollständigung des Bohrkopfes von der Tunnelbohrmaschine Herrenknecht S-782 / A.I. Iacheikin // Scientific Repotrs on Resource Issues. - 2018. - Volume 1. pp. 197-202.

110. Rostami, J. A new model for performance prediction of hard rock TBMs / J. Rostami, L. Özdemir // Rapid Excavation and Tunneling Conference: Proceedings. Boston. 1993. - P. 793-809.

111. Rostami, J. Comparison between CSM and NTH hard rock TBM performance prediction models / J. Rostami, L. Özdemir, B. Nilson // Proceedings of Annual Technical Meeting of the Institute of Shaft Drilling Technology, Las

Vegas. 1996. - Pp. 1-10.

112. Rostami, J. Study of pressure distribution within the crushed zone in the contact area between rock and disc cutters / International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013. Vol. 57. - P. 172-186.

113. Rostami, J. A new model for performance prediction of hard rock TBMs / J. Rostami, L. Ozdemir // Proceedings of the rapid excavation and tunneling conference. - Society for mining, metallurgy & exploration, Inc. 1993. -Pp. 793-793.

114. Yungmeister, D.A. Improving the shield machine cutter head for tunneling under the conditions of the Metrostroy Saint Petersburg mines / D.A. Yungmeister, S.A. Lavrenko, A.I. Yacheikin, R. Yu. Urazbakhtin // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2020. - Volume 15. Issue 11. -Pages 1282-1288.

115. Yungmeister, D.A. Choice of materials and justification of the parameters for the over-bit hammer / D.A. Yungmeister, A.I. Isaev, R.I. Korolev, A.I. Yacheikin // Journal of Physics Conference Series. - 2020

116. Zhabin, A. Scale factors for conversion of forces on disc cutters for the main domestic and foreign methods / A. Zhabin, A. Polyakov, E. Averin // Mining of mineral deposits. 2017. - №11. - C. 50-55.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Акт внедрения результатов диссертационной работы

о внедренш! результатов диссертационной работы

Ячейкнна Алексея Игоревича на тему: «Определение рациональных конструкций и параметров исполнительного органа проходческих щитов большого диаметра для горно-геологических условий шахт Метростроя СПб»

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы «Определение рациональных конструкций и параметров исполнительного органа проходческих щитов большого диаметра для горногеологических условий шахт Метростроя СПб» Ячейкина Алексея Игоревича на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - Горные машины, выполненной в Санкт-Петербургском горном университете, за период с 2017г. по 2019г. приняты к внедрению.

Форма внедрения результатов диссертационной работы:

1. Рекомендации по области применения разработанного исполнительного органа тоннелепроходческого щита;

2. Методика расчета основных параметров разработанного исполнительного органа;

3. Компоновочные схемы исполнительного органа, согласно патенту (№ 2701764) РФ.

Указанные выше материалы будут использоваться при проектировании исполнительных органов тоннелепроходческих комплексов для проведения тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» города Санкт-Петербурга. Использование разработанной конструкции исполнительного органа позволит повысить производительность проходческих работ.

иди «1У1етрострой» 198095. Санкт Петергбург тел: [phone] ул. Маршала Говорова, 39 факс: [phone] бухт: 252-27-21 [e-mail]

«18» декабря 2020 года

Акт

Главный механик

От предприятия: Начальник ПТО

Коновалов С.А.

Чуев Е.В.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Документы, подтверждающие техническую новизну разработки

Свидетельство о государственной регистрации патента на изобретение «ВИБРОАКТИВНЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН»

ПРИЛОЖЕНИЕ В Определение технико-экономических показателей

Определение капитальных затрат модернизированного исполнительного органа:

Стоимость оснащения исполнительного органа виброактивными шарошками (1):

См = (Пш ■ Пш + Пр ■ Пр + Пуд ■ Пуд + Павт ' "авт + Првд + ПМ ) ' а , (1)

где а = 1,15 коэффициент, учитывающий расходы на транспортировку и монтаж; Пш = 30000 - стоимость дисковой шарошки без учета затрат на транспортировку, руб.; пш = 33 - количество шарошек; Пр = 5000 - стоимость резцов без учета затрат на транспортировку, руб.; пр = 146 - количество резцов; Пуд = 20000 - стоимость ударника без учета затрат на транспортировку, руб.; пуд = 16 - количество ударников; Павт = 10000 -стоимость распределителей без учета затрат на транспортировку, руб.; павт = 16 - количество распределителей; Првд = 30000 - стоимость подводимых рукавов высокого давления без учета затрат на транспортировку, руб.; ПМ = п • N = 20000 • 2 = 40000 руб стоимость без учета затрат на доставку и монтаж, где п - стоимость 1 т метала, N - масса металла необходимого на переоснащение исполнительного органа, т.

Стоимость исполнительного органа равняется 2610500 руб.

Капитальные затраты (2):

С = См + Кшокр = 2610500 +100000 = 2710500 руб., (2)

где Кшокр - затраты на научно-исследовательские и проектные работы на разработку нового оборудования.

Книокр = 100000 руб.

Итого по капитальным затратам с учетом дополнительных расходов на доставку и монтаж: С = 2710500 руб.

Определение эксплуатационных расходов

Расчет заработной платы:

Время, за которое разрабатывается требуемый объем породы при проходке тоннеля протяженностью 5000 м (3):

^ 5000

тП = — =-= 254 дня =9 мес. (3)

П в 19,7 к 7

где Ь = 5000 - общая протяженность разрабатываемого тоннеля, м;

в = 19,7 м/сут - средняя производительность при новом варианте проходки.

Затраты на заработную плату рабочих, занятых обслуживанием

комплекса, определяются (4):

С = С + С +С (4)

з осн доп страх. взн ? V /

где Страх.взн - страховые взносы, составляет 34 % от суммы основной заработной платы; Сосн - основная заработная плата; Сдоп - дополнительная заработная плата, составляет 10 % от основной зарплаты.

Тарифные ставки по данным ОАО «Метрострой» на 2020 год: проходчик V разряда - 2000 руб.; машинист проходческого комплекса - 2200 руб.; машинист МТС - 2000 руб.; оператор тюбинг-крана - 2000 руб.; оператор эректора 2100 руб; обслуживающий персонал - 2000 руб.

Заработная плата машинистов проходческого комплекса: 87323 руб/мес;

Заработная плата машинистов МТС: 80325 руб/мес; Заработная плата проходчиков: 80325 руб/мес; Заработная плата оператора тюбинг-крана: 80325 руб/мес; Заработная плата оператора эректора: 87323 руб/мес; Заработная плата обслуживающего персонала: 80325 руб/мес; Итого заработная плата за весь период проходки составит: 18199089 руб.

Определение затрат на потребляемую энергию (5):

Сэл = Цр • Р3 + Цз • № ■ ^, (5)

где Рз - заявленная мощность потребителей, Рз = 2500 кВт; Цр -дополнительная плата за потребляемую электроэнергию, Цр = 4,76 руб/кВтч; Цэ - основная плата в месяц, Цз = 250,45 руб/кВт; Ж - суммарная мощность всех потребителей, Ж = 3000 кВт; 1раб - время работ машины за весь период проходки тоннеля: ^ = 2 ■ ТСм ■ \ ■ пс = 1738 час .,

где Тсм - количество часов в смене, Тсм = 12 часов; кр - коэффициент включения машины, кр = 0,75; пс - количество суток работы, пс = 254 дней.

Затраты на потребляемую электроэнергию энергию за весь период проходки составят Сэл= 65913160 руб. Затраты на сжатый воздух (6):

Сп = 60 ■ я ■ п0 ■ Т ■ п ■ / ■ /2 ■ Св, (6)

-5

где g - номинальный расход воздуха, g = 0,27 м /мин; ц = 0,8^1,0; ¡1 = 1,1 и ¡2 =1,0 - коэффициенты, учитывающие потери сжатого воздуха соответственно в сети и в двигателе при среднем износе его деталей;

-5

Св = 0,9 руб. - стоимость 1 м сжатого воздуха; п0 - число одновременно работающих ударников, п0 = 2; Тц - продолжительность разработки породы, Тц = 4 ч.

Затраты на сжатый воздух равняются 493020 руб. Итого энергетические затраты составят: 66406180 руб. Определение амортизационных отчислений для исполнительного органа оснащенного виброактивными шарошками совместно с усовершенствованной схемой расстановки резцов (7):

Д = С —^— = 22587,5 руб/мес, (7)

М 12-100% 4 7

где ЫТ = 10 % годовая норма амортизационных отчислений.

Итого по амортизационным отчислениям: 203288 руб.

Определение расходов на текущий ремонт исполнительного органа (8):

Ср = 2710500 •005 = 11294 руб/мес. (8)

Итого по расходам на текущий ремонт - 101644 руб.

Определение капитальных затрат заводского исполнительного органа

Стоимость породоразрушающего инструмента (9):

Спи = (Пш • Пш + Пр • пр) • а, (9)

где Пш = 30000 - стоимость дисковой шарошки без учета затрат на транспортировку, руб.; пш = 33 - количество шарошек; Пр = 5000 -стоимость резцов без учета затрат на транспортировку, руб.; пр = 202 -количество резцов; а = 1,5 - коэффициент резервного оборудования. Итого по капитальным затратам: С = СПИ = 2300000 руб.

Определение эксплуатационных расходов

Расчет заработной платы:

Время, за которое разрабатывается требуемый объем породы при

проходке тоннеля длиной 5000 метров (10):

1 5000 „ „ /1т

тП = —=-= 305 дней=11 мес. (10)

в 16,4

где Ь = 5000 - общая длинна разрабатываемого тоннеля, м; в = 16,4 м/сут -средняя производительность при новом варианте проходки.

Затраты на заработную плату рабочих, занятых обслуживанием комплекса определяются по формуле (4):

Заработная плата машинистов проходческого комплекса: 87323 руб/мес;

Заработная плата машинистов МТС: 80325 руб/мес;

Заработная плата проходчиков: 80325 руб/мес;

Заработная плата оператора тюбинг-крана: 80325 руб/мес;

Заработная плата оператора эректора: 87323 руб/мес;

Заработная плата обслуживающего персонала: 80325 руб/мес;

Итого заработная плата за весь период проходки составит:

22243331 руб.

Определение затрат на потребляемую энергию:

Стоимость электроэнергии по базовому варианту по формуле (5) составит: 79022200 руб.

Итого энергетические затраты составят: 79022200 руб. Определение амортизационных отчислений для исполнительного органа по формуле (7): АМ = 210833,333 руб.

Определение затрат на текущий ремонт исполнительного органа: Ср = 105417 руб.

Полученные данные по учтенным элементам эксплуатационных затрат по новому и базовому вариантам проходки вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях ОАО «Метрострой» сведены в таблицу В.1.

Таблица В.1 - Эксплуатационные затраты по вариантам (руб/мес)

Эксплуатационные затраты Базовый вариант Проектный вариант

Заработная плата 22243331 18199089

Амортизационные отчисления 210834 203288

Энергетические затраты 79022200 66406180

Текущий ремонт 105417 101644

ИТОГО 45020530 40171624

Экономия эксплуатационных затрат (11):

ДС = С ^ - С2 = 37067923 руб. (11)

Т1

Годовой экономический эффект (12):

Э = 0,8-37067927 = 29654338 руб. (12)